Fluidikové mikromoduly pro regulaci tlaku a průtoku

Fluidikové mikromoduly pro regulaci tlaku a průtoku

Výrobci měřicích zařízení a systémů hledají kompaktní moduly umožňující v jimi dodávaných zařízeních měřit anebo řídit průtok nebo tlak plynů. Jelikož rozměry měřicích zařízení se stále zmenšují, musí se miniaturizovat i v nich vestavěné jednotky pro měření a řízení průtoku a tlaku plynů.

Jako příklad lze uvést plynové chromatografy, které v tradičním provedení zaujímají objem přibližně 1 m³, zatímco u nejnovější generace (přenosných) chromatografů je tento objem redukován až asi na jednu čtyřiašedesátinu (rozměry přibližně 25 × 25 × 25 cm). V chromatografu se obvykle používá tří do šesti regulátorů průtoku a tlaku plynu. Tradiční regulátory hmotnostního průtoku a regulátory tlaku s rozměry asi 2,5 × 7,5 × 12,5 cm (š × d × v) neumožňují výrobcům dále zmenšovat nabízená zařízení. Použití individuálních přístrojových jednotek navíc znamená větší pravděpodobnost výskytu netěsností.

Obr. 1. Princip činnosti tepelného průtokoměru

V článku je představena nová generace přístrojů, které svými rozměry i dalšími vlastnostmi odpovídají požadavkům kladeným výrobci měřicích zařízení. Díky modulární struktuře lze navíc používat kompaktní rozdělovací a sběrná potrubí, a tudíž minimalizovat počet a délku spár (které jsou potenciálním zdrojem netěsností) při současném velmi efektivním využití prostoru.

Struktura a princip činnosti tepelného průtokoměru

Vlastní senzor tepelného průtokoměru, vyrobený metodami mikrosystémové techniky (MST/MEMS), je tvořen tenkou čtvercovou membránou, na jejímž povrchu jsou umístěny dvojice topných těles a dvojice senzorů teploty. Membrána má po obvodu nosný rám a odolává rozdílu tlaků až 1,5 MPa.

Princip měření je následující: obě topná tělesa jsou konstantním elektrickým proudem ohřívána na teplotu o něco málo větší, než je teplota měřeného média. Senzory teploty jsou na membráně umístěny ve směru toku média, a to symetricky k topným tělesům. Rozdíl mezi teplotou naměřenou senzorem umístěným proti směru proudění v průtokoměru a senzorem umístěným po směru proudění je mírou průtoku média.

Obr. 2. Pohled na rozložený modul senzoru průtoku (vlevo) a modul ventilu (vpravo)

Uvedený princip činnosti je názorně ukázán na obr 1. Topná tělesa jsou napájena tak, aby při nulovém průtoku bylo rozdílové elektrické napětí mezi měřicími obvody, v nichž jsou zapojeny senzory teploty, nulové. Výsledný průběh teploty na povrchu membrány je na obr. 1 zobrazen zelenou křivkou platnou při nulovém hmotnostním průtoku (F_m = 0). Jakmile začne médium proudit, teplota senzoru bližšího ke vstupu média do průtokoměru T_horní poklesne a teplota senzoru bližšího k výstupu z průtokoměru T_dolní naopak vzroste (modrá křivka na obr. 1 odpovídající situaci F_m > 0). Výsledný rozdíl teplot DT je, jak již bylo řečeno, mírou hmotnostního průtoku média.

Převodní charakteristiku senzoru tepelného průtokoměru, tj. závislost mezi hmotnostním průtokem F_m a výsledným rozdílem teplot DT, nelze popsat jednoduchým matematickým vztahem. Rozdíl teplot DT totiž závisí na rozměrech a fyzikálních vlastnostech materiálu membrány a na fyzikálních vlastnostech média. Přesnou závislost DT na F_m lze určit simulací při použití metody konečných prvků. Při známé závislosti lze pak predikovat chování senzoru při průtoku různých plynných médií.

Fluidikové mikromoduly

Popsaný senzor a další potřebné komponenty tvoří v praxi dohromady průtokoměrný modul s půdorysem asi 20 × 20 mm. Aby bylo možné sestavit miniaturní systém pro regulaci průtoku, je třeba mít celkem k dispozici v podobě modulů (s obdobným půdorysem) tyto prvky:

• průtokoměrný modul (s již popsaným senzorem průtoku) s typickými horními mezemi měřicího rozsahu od 20 do 2 000 Nml/min,

• snímač tlaku, typicky s rozsahem do asi 0,7 MPa přetlaku,

• regulační ventil,

• modul elektronických obvodů,

• třícestný ventil,

• uzavírací ventil,

• filtr,

• směšovací komoru.

Obr. 3. Sériově vyráběný snímač a regulátor hmotnostního průtoku (a) a snímač a regulátor tlaku (b) řady IQ+Flow a zakázková sestava regulátoru průtoku a tlaku (c) na bázi modulů IQ+Flow (moduly průtokoměrný a tlakoměrný, regulačního ventilu, elektronických obvodů a třícestného ventilu)

S použitím uvedených „stavebních kamenů“ je možné vytvářet samostatné přístroje i specifické zakázkové sestavy. Díky miniaturním modulům byly vyrobeny regulátory hmotnostního průtoku a tlaku s rozměry až 20 × 40 × 60 mm (š × d × v), které jsou pravděpodobně nejmenšími vyráběnými přístroji této kategorie na světě (obr. 3).

Experimentální ověření

Z modulů obsahujících senzor průtoku, regulační ventil a elektronické obvody byla vytvořena zkušební sada regulátorů hmotnostního průtoku, která byla podrobena stejným provozním zkouškám. Přístroje byly zatěžovány průtokem v rozsazích s horní mezní hodnotou mezi 20 a 2 000 mlN/min a byl měřen jejich výstupní signál. Jako médium byly postupně použity dusík, vodík, helium a argon. Navíc bylo sledováno dynamické chování přístrojů při různých sekvencích změn žádané hodnoty, a to při použití digitálního osciloskopu.

Obr. 4. Výsledky zkoušek regulátoru průtoku IQ+Flow MFC kalibrovaného pro dusík (N₂) na 500 mlN/min = 100 %: (a) statické převodní charakteristiky pro různé plyny, (b) odezva na změnu žádané hodnoty (plyn: N₂)

Příklady naměřených statických převodních charakteristik hmotnostního průtokoměru pro různé plyny jsou zobrazeny na obr. 4a. Experimentálně zjištěné závislosti se dobře shodují s očekávanými hodnotami zjištěnými simulacemi s použitím metody konečných prvků. Typické dynamické chování regulátoru hmotnostního průtoku IQ+Flow MFC je ukázáno na obr. 4b. Naměřené doby odezvy se pohybují v blízkosti hodnoty t_98% = 0,5 s.

Příklad použití

Miniaturní regulátory hmotnostního průtoku a tlaku najdou uplatnění např. v sestavě injektoru plynového chromatografu (obr. 5). Regulátor reguluje průtok nosného plynu protékajícího injektorem do analytické kolony a odtud do detektoru. Protože výsledek analýzy do značné míry závisí na stabilitě rychlosti proudění analytickou komorou, je nezbytné, aby průtok nosného plynu byl vždy konstantní. Tlak v injektoru je udržován na konstantní hodnotě miniaturním regulátorem tlaku. Jakmile je do injektoru vstříknut vzorek analyzované kapaliny, v důsledku vysoké teploty v injektoru se okamžitě odpaří. Vzniku tlakového pulsu zabrání regulátor tlaku. Protože změny tlaku v injektoru ovlivňují rychlost plynu při průtoku kolonou, která značně ovlivňuje výsledek analýzy, opět je velmi důležité udržet tlak v injektoru vždy stálý. Z uvedeného je zřejmé, jak důležitými vlastnostmi regulátoru hmotnostního průtoku i regulátoru tlaku jsou stabilita a rychlá odezva. Navíc by se oba regulátory neměly svým chováním vzájemně ovlivňovat.

Obr. 5. Způsob regulace průtoku a tlaku v plynovém chromatografu

Popsaný systém pro plynový chromatograf byl realizován jak z miniaturních modulů v podobě individuálních přístrojů (obr. 3a, obr. 3b), tak i v podobě kompaktní jednotky vyrobené na zakázku (obr. 3c). Obě varianty se vyznačovaly vynikajícími vlastnostmi.

Závěr

Současnými metodami mikrosystémové techniky lze realizovat fludikové mikromoduly pro řízení průtoku a tlaku plynů vyhovující speciálním požadavkům výrobců analytických i jiných měřicích přístrojů – mezi nimi zejména požadavku na miniaturizaci bez omezení ostatních metrologických i provozních vlastností. Z mikromodulů lze poměrně snadno a levně sestavovat skutečně velmi kompaktní regulátory jak hmotnostního průtoku, tak i tlaku. Ty jsou v podobě sestav samostatných sériově vyráběných přístrojů nebo jedinečných zařízení vyrobených na zakázku.

Dr. J. C. Lötters,
Bronkhorst High-Tech BV

Překlad z anglického originálu Micro fluidic flow and pressure control modules for integration into compact systems, Gases and technology, September/October 2005, Ing. Jaromír Uher, D-Ex Limited, spol. s r. o.

D-Ex Limited, spol. s r. o.
Optátova 37
637 00 Brno
tel.: 541 423 211
fax: 541 423 219
e-mail: info@dex.cz
http://www.dex.cz